TC4-DT钛合金是中国自主研制的新型中强损伤容限型两相(α＋β)钛合金，它是在普通TC4钛合金基础上通过进行纯净化熔炼、优化成分设计和β热加工等途径制成的。与普通TC4合金相比，TC4-DT钛合金中元素Al，V允许波动的范围较窄，间隙元素C，N，O和杂质元素Fe的最高允许含量大大降低，因此该合金具有较高的韧性、优异的焊接性、低的疲劳裂纹扩展速率以及高的疲劳寿命等综合性能，与美国的TC4 ELI相当，特别适合制造飞机大型整体框、梁、接头等关键承力构件^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]}。但是，TC4-DT钛合金的塑性和剪切抗力比较低，表面氧化物的保护作用比较微弱，从而导致钛合金的冲击韧性和耐磨性较差，而接头等承力构件受力比较复杂，一般需要材料在具有高强度和韧性的同时，还需要具有良好的耐磨性，以提高钛合金构件的安全性和可靠性^{[8, 9, 10, 11, 12]}。目前，国内对TC4-DT钛合金的研究多集中在电子束焊接接头性能^{[13, 14, 15]}、热变形行为^{[16, 17, 18]}等方面，虽然胥军、卢文壮等人对TC4-DT钛合金的磨削特性及工艺进行了相关研究^{[19, 20]}，但是国内对其摩擦磨损性能的研究较少。因此本文通过对TC4-DT钛合金进行摩擦磨损实验，观察其在不同温度(20，300，500 ℃)的摩擦磨损情况，分析并总结磨损规律，探究磨损机理，从而为TC4-DT钛合金在航空等领域的应用提供一定的理论指导。

实验采用的是北京航材院研制的TC4-DT钛合金，显微硬度值为340HV0.1，其化学成分见表 1。

表1(Table 1)

表1 TC4-DT钛合金的化学成分Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy wt% Ti Al V Fe C H O N Bal. 6.16 3.95 0.03 0.04 0.005 0.06 0.014

表1 TC4-DT钛合金的化学成分 Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy

实验采用的TC4-DT钛合金试样尺寸为15 mm×15 mm×5 mm，磨损面依 次用400^#，500^#，600^#，800^#，1000^#号SiC金相砂纸打磨，并进行机械抛光至镜面。

实验采用HT-500型高温摩擦磨损实验机对试样表面进行干摩擦磨损实验，探究不同温度下试样的摩擦磨损性能。对磨材料为Si₃N₄陶瓷球，直径φ＝4.763mm，硬度75~80 HRC，对磨半径2 mm，测试载荷2.3N，转速560 r/min，磨损时间30 min，实验温度为20，300和500 ℃。实验前，对试样进行乙醇超声波清洗，清洗时间15min。采用精度为0.1mg的电子天平称量磨损实验前后的试样质量损失。实验后，采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)观察磨痕表面宏观和微观形貌；用其自带的能谱仪(Energy dispersive spectrometer,EDS)检测磨痕的化学成分；计算比磨损率，并探究试样在不同温度下的磨损机理。

TC4-DT钛合金摩擦因数随磨损时间变化的关系曲线如图 1所示。TC4-DT钛合金在磨损开始的10min内处于预磨期。随着时间的延长，摩擦因数不断增大。因磨损开始时，合金表面比较光滑，粗糙度小，摩擦阻力比较小，从而导致摩擦因数低。随着摩擦的不断进行，合金表面出现磨损造成的沟槽，一方面使表面粗糙度不断增大；另一方面对摩擦副有阻碍作用，摩擦阻力逐渐变大，因此摩擦因数不断提高。当磨损进入平稳期时，合金表面的粗糙度保持稳定，摩擦力变化不大，摩擦因数也趋于稳定^[21]。图 2是TC4-DT合金的平均摩擦系数随温度变化的关系曲线。由图 2可见，随着温度的升高，TC4-DT合金的平均摩擦因数从20 ℃的 0.493下降到500 ℃的0.298，这是因为随着温度不断升高，摩擦表面的温度逐渐升高，合金变软，导致工件表面硬度降低，对塑性变形的抗力下降，而且Si₃N₄陶瓷球与合金的硬度差不断增加，导致陶瓷球可以更加压入合金表面，磨损产生的磨屑此时就会充当润滑作用，因此摩擦因数不断降低。

图1(Figure 1)

图1 摩擦因数与磨损时间的关系 Figure 1 Relationship between friction coefficient and test time

图2(Figure 2)

图2 平均摩擦因数与温度的关系 Figure 2 Relationship between average friction coefficient and temperature

图3(Figure 3)

图3 磨损量与温度的关系 Figure 3 Relationship between wear loss and temperature

磨损前后在分析天平(感量为0.1 mg)上测量TC4-DT钛合金试样的质量，得到试样的失重，如图 3所示。20 ℃时，试样的失重为8.2 mg；300 ℃时，试样的失重有所减少，为6.6 mg；当温度达到500 ℃时，失重进一步减少，达到最小值4.0 mg。由此可以看出，试样的磨损量随温度的升高而不断减少。

为了更加准确地比较试样在不同温度下摩擦磨损造成的失重，采取另一种测量方法，即通过磨损体积来计算磨损率。

球体积磨损计算公式为 V_ball=π64×W⁴R 式中：V为试样磨损体积，mm³；W为磨痕宽度，mm；R为磨损球半径，mm。

真正衡量一个材料摩擦磨损性能的重要指标是比磨损率^[22]。比磨损率定义公式为 K=V PS 式中：K为比磨损率，mm³/(N·m)；P为法向载荷，N；S为滑动距离，m。

经过计算，不同温度下TC4-DT钛合金试样的比磨损率如表 2所示。可以看出，随着温度的升高，TC4-DT钛 合金的比磨损率不断降低。300 ℃时，试样的比磨损率不足20 ℃的1／2，降幅为60.7%；500 ℃时，试样的比磨损率接近300 ℃的1／2，降幅达83.7%。这说明TC4-DT钛合金在低温时的磨损比高温时严重。

表2(Table 2)

表2 不同温度下TC4-DT钛合金的磨损体积和比磨损率Table 2 Wear volume and wear ratio of TC4-DT at different temperatures 温度/ ℃ W/mm V/mm3 K/ (mm3·(N·m)-1) 20 1.391 9.19×10-2 4.35×10-4 300 1.102 3.62×10-2 1.71×10-4 500 0.884 1.50×10-2 0.71×10-4

表2 不同温度下TC4-DT钛合金的磨损体积和比磨损率 Table 2 Wear volume and wear ratio of TC4-DT at different temperatures

TC4-DT钛合金磨痕的宏观形貌如图 4所示。图中黑箭头所指为磨痕表面凸起。20 ℃时，磨痕比较宽，犁沟细而密，并且深度较大。随 着温度的升高，磨痕宽度不断减小，磨痕不断变浅，犁沟处因粘着引起的凸起数量增多，面积 增大^[23]。这说明TC4-DT钛合金的磨损程度随温度的升高而减小。图 5是TC4-DT钛合金磨痕的微观形貌。由图可见，磨损后的TC4-DT钛合金磨痕底部分布着犁沟，磨痕表面粘附着磨屑，并且随着温度的升高，残留磨屑的数量不断增加，体积也明显增大。在300 ℃时，磨痕表面出现剥层，到500 ℃时，剥层面积进一步扩大，加上粘着效应，导致磨痕处块状脱落变大。Si₃N₄对磨球与TC4-DT钛合金表面摩擦的对磨面微观形貌如图 6所示，可以看到，20 ℃时球面上分布着粘着力造成的凹坑，并且粘附着磨屑。随着温度的升高，凹坑逐渐消失，球面变得光滑。在500 ℃时，球面上几乎没有凹坑，仅仅有一些磨屑。

图4(Figure 4)

图4 不同温度下TC4-DT钛合金磨痕宏观形貌 Figure 4 Macrotopography of wear trace of TC4-DT at different temperatures

图5(Figure 5)

图5 不同温度下TC4-DT钛合金磨痕微观形貌 Figure 5 Microtopography of wear trace of TC4-DT at different temperatures

图6(Figure 6)

图6 不同温度下对磨球对磨面微观形貌 Figure 6 Microtopography of grinding surface of grinding ball at different temperatures

钛合金化学活性比较高，合金表面在摩擦力和摩擦温度的共同作用下容易受空气等外在因素影响，一些外来元素(C、N 、O等)扩散至磨损表面，使表层元素重新分布，可能形成钛的固溶体，也可能形成钛的氧化物和碳化物^[20]。采用EDS对TC4-DT合金表面磨痕处和对磨球磨面处的成分进行 分析，元素含量见表 3，4。如表 3所示，随着温度不断升高，合金表面O含量从20 ℃的17.87%增加到500 ℃的36.19%。合金磨痕处的O元素含量较高，说明了TC4-DT钛合金在磨损过程中发生了氧化反应。由于钛合金的热传导率比较低，所以在300，500 ℃时，热量来不及散失，再加上合金表面与对磨球相互摩擦，导致磨痕处温度不断升高，氧化反应越来越严重^[10]。而且在300，500 ℃时，从合金表面磨痕微观形貌可以看出，磨痕表面存在大片的剥层，即钛的氧化物，由此可知合金发生了氧化磨损。

表3(Table 3)

表3 TC4-DT合金磨痕表面的EDS成分分析Table 3 Chemical composition of wear mark surface of TC4-DT alloy by EDS wt% 温度/℃ Ti Al V O 20 73.81 4.20 2.25 17.87 300 69.96 3.66 2.16 22.58 500 58.97 2.49 1.17 36.19

表3 TC4-DT合金磨痕表面的EDS成分分析 Table 3 Chemical composition of wear mark surface of TC4-DT alloy by EDS

表4(Table 4)

表4 Si3N4磨球磨痕表面的EDS成分分析Table 4 Chemical composition of wear mark surface of Si3N4 by EDS wt% 温度/ ℃ O N Si Ti 20 10.11 46.20 33.25 8.87 300 29.96 31.66 28.16 7.58 500 38.97 21.49 30.17 8.19

表4 Si3N4磨球磨痕表面的EDS成分分析 Table 4 Chemical composition of wear mark surface of Si3N4 by EDS

20 ℃时，在TC4-DT合金表面与Si₃N₄对磨球面相互接触，发生滑动摩擦时，形成粘着现象和犁沟效应。在载荷的作用下，接触点的单位压力很大，并且 向切向和法向传递，在合金表面的微凸体上产生剪切应力和正应力^{[24, 25]}。一方面，TC4-DT合金的硬度较Si₃N₄陶瓷球低很多，在载荷对合金表面施加的正应力作用下，合金表面发生塑性变形，一些接触点将产生牢固的粘着。随着滑动摩擦的进行，由于滑移剪切力的作用，合金表面发生粘着撕裂，造成粘着磨损并产生凹坑。另一方面，在摩擦过程中，合金表面的微凸体在剪切应力的作用下受到挤压发生断裂，形成磨屑。硬度较大的Si₃N₄陶瓷球将磨屑压入TC4-DT合金表面，在滑动过程中推动钛合金，使它产生塑性流动 ，从而形成犁沟^{[26, 27]}，同时犁沟两侧的金属发生塑性形变并向两侧翻起，形成堆积物，随着磨损的进行，堆积物又被压平，如此反复多次塑性变形，导致裂纹形成，当裂纹扩散至合金表面时就会引起剥落，造成疲劳破坏。因此，低温下TC4-DT合金的磨损机理以磨粒磨损和粘着磨损为主，伴有疲劳磨损。

随着温度的升高，在300，500 ℃时，合金表面O元素含量不断增多，形成一层氧化薄膜。在磨损的过程中，合金表面出现大量的位错和滑移带。当合金表面在载荷和滑动速度的作用下发生塑性变形时，表面层的应变速率大大提高，造成变形速率高于位错滑移速率，导致材料的连续性被破坏，引起显微裂纹的形成。在循环应力的作用下，裂纹不断扩展，当其扩展到合金表面时，发生断裂，造成薄片状脱落，形成剥层磨损^[28]。氧化薄膜在循环接触应力的作用下容易脱落，裸露的表面又继 续生成新的氧化薄膜而产生氧化磨损^[29]。而且由于氧化膜覆盖合金表面，在一定程度上减轻了磨粒磨损和粘着磨损。如表 4所示的EDS结果，随着温度的升高，对磨球上的O 元素也在不断增加，并且存在着少数的钛元素，说明了存在少量的合金磨粒转移到了对磨球表面。因此，高温下TC4-DT合金的磨损机理以氧化磨损和剥层磨损为主，伴随着少量的粘着和磨粒磨损。

(1)随着温度的升高，TC4-DT合金的摩擦因数不断降低，磨损率大大减小，降幅达83.7%；TC4-DT合金和Si₃N₄对磨球的磨损程度随温度的升高而减小。

(2)TC4-DT合金表面的O元素含量随温度升高而逐渐增大，不断在合金表面形成氧化薄膜。

(3)TC4-DT合金在20℃时的磨损机理以粘着磨损、磨粒磨损为主，同时伴有少量的疲劳磨损；在300，500℃时，磨损机理以剥层磨损和氧化磨损为主，伴随少量的粘着磨损和磨粒磨损。